外源有机酸对黑土土壤磷形态及有效性的影响

摘要

为系统阐述外源有机酸对土壤磷形态及有效性的影响。本文首先以典型黑土区天然次生林土壤为研究对象，通过不同土层土壤各形态磷素指标的测定分析，研究了未受干扰黑土土壤磷的垂直空间变化及供磷特征;同时，通过土壤对低分子有机酸吸附特征的分析，阐述土壤对低分子有机酸的吸附能力。在此基础上，选取不同种类、浓度及pH的低分子有机酸及高分子有机酸腐殖酸分别处理土壤，测定和分析土壤各形态无机磷含量，以及腐殖酸添加后土壤最大吸附磷量、磷吸持指数、磷解吸比率等吸附解吸特征的变化，来探讨有机酸对黑土土壤磷有效性的活化作用及机理。
　　未开垦黑土土壤不同形态磷素含量以中活性有机磷NaOH-Po比重较大，占土壤全磷总量的50.78％，而活性磷H2O-Pi含量及占土壤全磷总量的比重较低;垂直空间上，土壤各磷素形态含量以0～10cm土层含量显著高于其他土层(p＜0.05)，并且除NaOH-Po除外，其他磷组分随土壤深度的增加均表现为0～70 cm土层范围内逐渐降低，之后先增加后下降的一致性变化规律;相关分析和通径分析表明，NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和NaOH-Po对有效磷的贡献较大。
　　磷肥处理后，土壤有效磷含量和固定率随时间的延长在培养初期(＜480h)变化幅度较大，之后曲线趋于平缓;外源磷肥的添加显著增加了土壤各形态无机磷含量。其中，Sui磷素分级体系中，培养初期(24h)，土壤NaHCO3-Pi占无机磷变化总量的比例较大，培养2160h后土壤NaHCO3-Pi和NaOH-Pi增加量分别占无机磷变化总量的33.72％和24.87％，而稳定的Res-P在培养过程中的变化幅度均较小。蒋柏藩-顾益初无机磷分级体系中，培养24h，无机磷组分以Ca2-P占无机磷变化总量的比例较大，培养2160h后Al-P和Fe-P增加量分别占无机磷变化总量的30.70％和20.66％，而O-P在培养过程中的变化幅度均较小;这表明水溶性磷肥在土壤中主要转化为相对不稳定组分，保留在中活性磷库中。
　　黑土土壤对草酸、柠檬酸和苹果酸均有不同程度的吸附能力，其吸附量均随低分子有机酸初始浓度的增加而增加，并且有机酸的种类和初始浓度不同，其吸附量也存在差异。低分子有机酸在黑土土壤中的最大吸附量以柠檬酸最大，苹果酸最小。土壤对草酸、柠檬酸和苹果酸的最大吸附率分别达57.15％、29.26％和8.42％，并且表现为有机酸初始浓度在1～10mmol/L的变化范围内，土壤对草酸吸附率高于柠檬酸;当有机酸初始浓度达20mmol/L时，表现为柠檬酸较大，而土壤对苹果酸的吸附率始终低于草酸和柠檬酸。草酸初始浓度较低(1 mmol/L)，土壤对草酸的吸附量随pH值的增加而上升，随草酸初始浓度的增加，其吸附量则表现为随pH的增加呈先上升后下降的趋势。
　　低分子有机酸对土壤总无机磷的活化强度随有机酸浓度的增加而显著提高(p＜0.05)。低浓度(≤1.0 mmol/L)时，草酸的活化能力低于柠檬酸;高浓度(≥1.5mmol/L)时，草酸的活化能力显著提高(p＜0.05)。采用Sui磷素分级的分析发现，草酸和柠檬酸对NaHCO3-Pi、NaOH-Pi均有显著的活化作用，而高浓度（≥1.0mmol/L）的有机酸才能活化HCl-Pi;张守敬法表明，草酸和柠檬酸对Al-P、Fe-P、Ca-P均有显著的活化作用，并且活化作用随有机酸浓度的升高而逐渐增强;有机酸对土壤无机磷的活化能力随pH的升高而降低，是质子酸效应和有机酸阴离子络合效应共同作用的结果。通径分析表明，Sui磷素分级的NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi和张守敬法中的Al-P对总无机磷活化量的直接和间接通径系数均较大，是黑土土壤磷素活化的有效来源。
　　随腐殖酸添加量的增加，施肥和未施肥土壤有效磷含量均呈增加的变化趋势，其中，添加20.0％的腐殖酸土壤有效磷含量分别较不添加腐殖酸处理提高1.14和2.20倍。腐殖酸对土壤不同形态无机磷含量的变化也存在差异，其中，采用Sui磷素分级的分析发现，随腐殖酸添加量的增加，施肥和未施肥土壤中NaOH-Pi和HCl-Pi含量均呈逐渐增加的趋势，而非活性磷Res-P则相反。张守敬法表明，施肥和未施肥土壤Al-P含量随腐殖酸添加量的增加而逐渐增加，Ca-P含量表现为增加或与对照无显著差异，而O-P含量则表现为降低的变化趋势;这表明腐殖酸能一定程度上提高磷肥的利用率，促进难溶性无机磷向有效性高的无机磷形态转化。
　　Langumuir方程能较好的描述不同腐殖酸添加量土壤对磷的吸附特征，决定系数达显著水平(p＜0.05)。土壤对磷的最大吸附量随腐殖酸添加量的提高逐渐增加，而吸附强度因子和最大吸附缓冲容量则表现为先降低后增加的趋势，且腐殖酸添加量为11.2％时最低，土壤对磷的贮存容量较大，吸附强度较低，供给植物吸收利用的磷较充足;土壤磷的最大解吸量和解吸比率同样表现为腐殖酸添加量为11.2％时最高，表现出较强的供磷能力。通过添加腐殖酸来科学合理的调控土壤磷的吸附与解吸特征，从而协调农作物磷素营养控制是可行的，对农田土壤培肥及磷肥的合理利用具有重要现实意义。
　　低分子有机酸对土壤总无机磷的活化强度均随有机质含量的增加呈显著降低的变化趋势(p＜0.05)。采用Sui磷素分级的研究发现，有机酸处理后，土壤NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi的活化量随有机质含量的增加均表现为降低的变化趋势;张守敬法中，3种低分子有机酸对不同有机质含量土壤Al-P、Fe-P、Ca-P均有显著的活化作用，有机质含量为9.96％土壤Ca-P除外;对于同一种有机质土壤而言，有机酸分别对Sui磷素分级中的NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi和张守敬法中的Al-P、Fe-P活化能力均以草酸最强，苹果酸最低(p＜0.05)。而有机酸处理后Res-P和O-P含量均低于未添加有机酸处理，但不同有机质含量之间的差异未达显著水平。

目录

摘要

1 绪论

1．1 论文选题的目的意义

1．2 国内外相关研究现状及发展趋势

1．2．1 土壤磷素形态及其有效性

1．2．2 土壤磷素的吸附与解吸特征

1．2．3 土壤磷素有效性的影响因素

1．2．4 低分子有机酸对土壤磷素的活化作用

1．2．5 腐殖酸对土壤磷素有效性的影响

1．3 存在问题及发展趋势

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

1．5 论文的创新点与局限性

2 未开垦黑土土壤磷素垂直分布特征

2．1 材料与方法

2．1．1 样品的采集与制备

2．1．2 指标及测定方法

2．1．3 数据处理

2．2 研究结果

2．2．1 土壤有效磷含量的变化

2．2．2 土壤磷组分含量特征

2．2．3 土壤有机磷和无机磷含量的变化

2．3 讨论

2．3．1 不同磷素组分对磷有效性的贡献

2．3．2 土壤各形态磷素的垂直分布

2．4 本章小结

3 黑土土壤无机磷形态及时效性

3．1 材料与方法

3．1．1 样品的采集与制备

3．1．2 室内培养

3．1．3 指标及测定方法

3．1．4 指标计算及分析方法

3．2 研究结果

3．2．1 土壤有效磷含量的变化

3．2．2 土壤磷素释放的动力学方程

3．2．3 磷源在土壤中的形态转化(Sui磷分级体系)

3．2．4 土壤无机磷组分的含量(蒋柏藩-顾益初土壤无机磷分级体系)

3．2．5 土壤有效磷与不同形态无机磷组分之间的关系

3．3 讨论

3．4 本章小结

4 黑土土壤对低分子有机酸的吸附特征

4．1 材料与方法

4．1．1 供试土壤样品

4．1．2 试验设计

4．1．3 指标及测定方法

4．1．4 指标计算及分析方法

4．2 结果与分析

4．2．1 低分子有机酸的等温吸附特征

4．2．2 土壤对低分子有机酸吸附率的变化

4．2．3 pH值对土壤吸附低分子有机酸的影响

4．3 本章小结

5 低分子有机酸对黑土土壤无机磷活化的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 供试土壤样品

5．1．2 试验设计

5．1．3 数据处理

5．2 研究结果

5．2．1 土壤总无机磷活化量的变化

5．2．2 土壤不同形态无机磷的变化特征

5．2．3 质子与有机酸阴离子对土壤无机磷活化的影响

5．2．4 质子与有机酸阴离子对土壤不同形态无机磷活化的影响

5．3 讨论

5．3．1 低分子有机酸对土壤无机磷的活化作用

5．3．2 不同pH值有机酸对土壤无机磷组分的影响

5．3．3 土壤不同磷素组分活化量对土壤总无机磷活化量的贡献

5．4 本章小结

6 外源腐殖酸对黑土土壤无机磷组分的影响

6．1 研究方法

6．1．1 土壤样品的采集与制备

6．1．2 指标及测定方法

6．1．3 数据处理

6．2 研究结果

6．2．1 土壤全磷和有效磷的变化

6．2．2 土壤各形态无机磷含量的变化(Sui磷素分级)

6．2．3 土壤无机磷组分的形态分布(张守敬法)

6．3 讨论

6．4 本章小结

7 外源腐殖酸对黑土土壤磷的吸附与解吸特征的影响

7．1 研究方法

7．1．1 土壤样品的采集与制备

7．1．2 指标及测定方法

7．1．3 指标计算及分析方法

7．1．4 数据处理

7．2 研究结果

7．2．1 土壤磷素的吸附等温曲线

7．2．2 土壤磷的吸附特征

7．2．3 吸附磷的解吸特征

7．3 讨论

7．3．1 土壤磷素吸附-解吸等温曲线

7．3．2 腐殖酸对土壤磷素吸附、解吸特征的影响

7．4 本章小结

8 土壤无机磷活化对低分子有机酸与有机质含量的响应

8．1 研究方法

8．1．1 土壤样品的采集与制备

8．1．2 实验设计

8．1．3 数据处理

8．2 结果与分析

8．2．1 土壤总无机磷的活化量

8．2．2 土壤无机磷组分的活化(Sui磷分级体系)

8．2．3 土壤各形态无机磷的活化作用(张守敬法)

8．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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